Il principio di funzionamento e i principali tipi dilaser a semiconduttore
SemiconduttoreDiodi laserGrazie alla loro elevata efficienza, miniaturizzazione e diversità di lunghezza d'onda, i laser a semiconduttore sono ampiamente utilizzati come componenti chiave della tecnologia optoelettronica in settori quali le comunicazioni, la medicina e i processi industriali. Questo articolo illustra inoltre il principio di funzionamento e le tipologie di laser a semiconduttore, fornendo un utile riferimento per la selezione da parte della maggior parte dei ricercatori nel campo dell'optoelettronica.
1. Il principio di emissione luminosa dei laser a semiconduttore
Il principio di luminescenza dei laser a semiconduttore si basa sulla struttura a bande, sulle transizioni elettroniche e sull'emissione stimolata dei materiali semiconduttori. I materiali semiconduttori sono un tipo di materiale con un band gap, che comprende una banda di valenza e una banda di conduzione. Quando il materiale si trova nello stato fondamentale, gli elettroni riempiono la banda di valenza mentre non ci sono elettroni nella banda di conduzione. Quando viene applicato un determinato campo elettrico esterno o viene iniettata una corrente, alcuni elettroni passano dalla banda di valenza alla banda di conduzione, formando coppie elettrone-lacuna. Durante il processo di rilascio di energia, quando queste coppie elettrone-lacuna vengono stimolate dall'ambiente esterno, vengono generati fotoni, ovvero raggi laser.
2. Metodi di eccitazione dei laser a semiconduttore
Esistono principalmente tre metodi di eccitazione per i laser a semiconduttore: il tipo a iniezione elettrica, il tipo a pompa ottica e il tipo a fascio di elettroni ad alta energia.
Laser a semiconduttore a iniezione elettrica: Generalmente, si tratta di diodi a giunzione superficiale a semiconduttore realizzati con materiali quali arseniuro di gallio (GaAs), solfuro di cadmio (CdS), fosfuro di indio (InP) e solfuro di zinco (ZnS). Vengono eccitati iniettando corrente in polarizzazione diretta, generando emissione stimolata nella regione del piano di giunzione.
Laser a semiconduttore pompati otticamente: Generalmente, come sostanza di lavoro vengono utilizzati monocristalli semiconduttori di tipo N o di tipo P (come GaAS, InAs, InSb, ecc.) elaserL'energia emessa da altri laser viene utilizzata come eccitazione a pompaggio ottico.
Laser a semiconduttore eccitati da fascio di elettroni ad alta energia: Generalmente, anch'essi utilizzano monocristalli semiconduttori di tipo N o di tipo P (come PbS, CdS, ZhO, ecc.) come materiale di lavoro e vengono eccitati iniettando un fascio di elettroni ad alta energia dall'esterno. Tra i dispositivi laser a semiconduttore, quello con prestazioni migliori e applicazioni più ampie è il laser a diodo GaAs a iniezione elettrica con doppia eterostruttura.
3. Le principali tipologie di laser a semiconduttore
La regione attiva di un laser a semiconduttore è l'area centrale per la generazione e l'amplificazione dei fotoni e il suo spessore è di pochi micrometri. Le strutture interne a guida d'onda vengono utilizzate per limitare la diffusione laterale dei fotoni e aumentare la densità di energia (come le guide d'onda a cresta e le eterogiunzioni interrate). Il laser adotta un design con dissipatore di calore e seleziona materiali ad alta conduttività termica (come la lega rame-tungsteno) per una rapida dissipazione del calore, che può prevenire la deriva della lunghezza d'onda causata dal surriscaldamento. In base alla loro struttura e agli scenari di applicazione, i laser a semiconduttore possono essere classificati nelle seguenti quattro categorie:
Laser a emissione laterale (EEL)
Il laser viene emesso dalla superficie di taglio sul lato del chip, formando uno spot ellittico (con un angolo di divergenza di circa 30°×10°). Le lunghezze d'onda tipiche includono 808 nm (per il pompaggio), 980 nm (per le comunicazioni) e 1550 nm (per le comunicazioni in fibra ottica). È ampiamente utilizzato nel taglio industriale ad alta potenza, nelle sorgenti di pompaggio laser a fibra e nelle reti dorsali di comunicazione ottica.
2. Laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL)
Il laser viene emesso perpendicolarmente alla superficie del chip, con un fascio circolare e simmetrico (angolo di divergenza <15°). Integra un riflettore di Bragg distribuito (DBR), eliminando la necessità di un riflettore esterno. Trova ampio impiego nel rilevamento 3D (come il riconoscimento facciale nei telefoni cellulari), nelle comunicazioni ottiche a corto raggio (centri dati) e nel LiDAR.
3. Laser a cascata quantica (QCL)
Basandosi sulla transizione a cascata degli elettroni tra pozzi quantici, la lunghezza d'onda copre la gamma del medio-lontano infrarosso (3-30 μm), senza la necessità di inversione di popolazione. I fotoni vengono generati tramite transizioni intersottobanda e sono comunemente utilizzati in applicazioni quali il rilevamento di gas (come il rilevamento di CO₂), l'imaging a terahertz e il monitoraggio ambientale.
Il design della cavità esterna del laser sintonizzabile (reticolo/prisma/specchio MEMS) può raggiungere un intervallo di sintonizzazione della lunghezza d'onda di ±50 nm, con una larghezza di riga ridotta (<100 kHz) e un elevato rapporto di reiezione dei modi laterali (>50 dB). È comunemente utilizzato in applicazioni come la comunicazione DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), l'analisi spettrale e l'imaging biomedico. I laser a semiconduttore sono ampiamente utilizzati in dispositivi laser per le comunicazioni, dispositivi di archiviazione laser digitali, apparecchiature per la lavorazione laser, apparecchiature per la marcatura e il confezionamento laser, composizione e stampa laser, apparecchiature mediche laser, strumenti laser per la rilevazione della distanza e della collimazione, strumenti e apparecchiature laser per l'intrattenimento e l'istruzione, componenti e parti laser, ecc. Essi rappresentano i componenti principali dell'industria laser. Data la sua vasta gamma di applicazioni, esistono numerosi marchi e produttori di laser. La scelta deve basarsi sulle esigenze specifiche e sui campi di applicazione. I diversi produttori offrono diverse applicazioni in vari settori e la selezione del produttore e del laser deve essere effettuata in base al campo di applicazione effettivo del progetto.
Data di pubblicazione: 05-nov-2025